FPGA学习-以太网的原理介绍

2024-04-02

1 以太网原理介绍,1.1 以太网帧,在以太网链路上的数据包称作以太网帧。以太网帧起始部分由前导码和帧开始符组成。后面紧跟着一个以太网报头,以MAC地址说明目的地址和源地址。帧的中部是该帧负载的包含其他协议报头的数据包(例如IP协议、ARP协议)。以太帧由一个32位冗余校验码结尾。它用于检验数据传输是否出现损坏。以太网帧格式如下图所示。
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1.前导码和帧开始符是固定的,为7个0x55紧跟着1个0xd5,2.目的MAC地址指明帧的接受者,3.源MAC地址指明帧的发送者,4.以太网类型,指示帧的类型,比如0x0800表示该帧是IP数据包,0x0806表示该帧是ARP协议数据包,5.数据和填充就是所承载的数据包,跟前面以太网类型对应。
6.帧校验序列是一个32位的循环校验码(FCS)。
每一个设备都有一个不同的MAC地址,当一个设备A发送一个以太网帧,源MAC地址是自己的MAC地址,目的MAC地址如果是0xffffff,此时就是广播,所有与之连接的设备都会收到该帧,如果目的MAC地址是一个独特的MAC地址,那么本地MAC地址与之相同的设备将会接收到该以太网帧,然后通过判断以太网帧类型,进行下一步数据包解析。
1.2 ARP协议,ARP协议,全称为Address Resolution Protocol,即地址解析协议,ARP协议属于以太网帧的一种,前面以太网帧介绍中有说到,我们如果从设备A发送以太网帧到设备B,我们不可能每次都进行广播,那么设备A如何知道设备B的物理地址呢?ARP协议就是为了解决这个问题。
首先设备A广播,发送ARP请求,等收到设备B的ARP应答以后就能知道设备B的MAC地址。ARP帧格式如下图所示,FPGA学习-以太网的原理介绍 (https://ic.work/) 可编辑器件 第2张
ARP字段就是前面以太网帧待填充的数据。
硬件类型、上层协议类型、MAC地址长度、IP地址长度均固定不变。
假设设备A的IP地址为192.168.0.2,MAC地址为0x00_0a_35_01_fe_c0,我们知道目的IP地址为192.168.0.3,不知道该IP地址对应的MAC地址,如果设备A想要和IP地址为192.168.0.3的设备B进行通信(如UDP或者IP通信),就必须知道它的MAC地址。此时设备A就需要广播发送ARP请求,接收方MAC地址填0xff_ff_ff_ff_ff_ff。这样IP地址为192.168.0.3的设备就会解析出这是一个ARP请求,它询问自身的MAC地址,此时它就会做出ARP应答,将自身的MAC地址发送给对应IP地址的设备A。
注意发送ARP请求时,操作码为0x0001,应答时操作码为0x0002。
1.3 IP协议,TCP/IP协议定义了一个在因特网上传输的包,称为IP数据包,而IP数据报(IP Datagram)是个比较抽象的内容,是对数据包的结构进行分析。由首部和数据两部分组成,其格式如下图图所示。首部的前一部分是固定长度,共20字节,是所有IP数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段,其长度是可变的。首部中的源地址和目的地址都是IP协议地址。
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1.4 UDP协议,UDP 协议是一种不可靠传输,发送方只负责将数据发送出去,而不管接收方是否正确的接收。非常类似于 UART 串口传输。但是,在很多场合,是可以接受这种潜在的不可靠性的,例如视频实时传输显示。在这类系统中,由于数据并不需要进行运算并得到非常精确的结果用于其他功能,而仅仅是显示在屏幕上,因此可以接受一定程度的丢包或者误码。此类应用在 LED 大屏显示系统中应用非常广泛。UDP帧组成如下图所示,FPGA学习-以太网的原理介绍 (https://ic.work/) 可编辑器件 第4张

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